Tema 4: Sistemas Operativos. 4.1. Introducción Un sistema operativo es software. Un SO es un conjunto de programas destinado a administrar los recursos.

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1 Tema 4: Sistemas Operativos

2 4.1. Introducción Un sistema operativo es software. Un SO es un conjunto de programas destinado a administrar los recursos de una computadora y a usarlos de forma eficiente. Se puede decir que el SO es el kernel o núcleo del ordenador. Es un programa que está constantemente ejecutándose. Es un sistema de control de entrada y salida (E/S).

3 4.2. Funciones básicas - Interfaces de usuario (IU) - Administración de recursos - Administración de archivos - Administración de tareas - Servicio de soporte

4 4.2. Funciones básicas: Interfaces de usuario El SO suministra la IU, ejecutando las instrucciones (comandos). Una interfaz de usuario es la parte de un programa que nos permite comunicarnos con él. Es la parte del programa que podemos ver.

5 4.2. Funciones básicas: Administración de recursos Los SO administran los recursos hardware de un sistema informático (CPU, memoria, periféricos de entrada/salida).

6 4.2. Funciones básicas: Administración de archivos La gestión de archivos controla la creación, borrado y acceso de archivos de datos y de programas. También mantiene el registro de la ubicación física (dirección) de los archivos en los discos magnéticos y en otros dispositivos de almacenamiento secundario.

7 4.2. Funciones básicas: Administración de tareas Administra la realización de tareas informáticas del usuario final (nosotros). Esta parte controla que áreas tiene acceso al CPU y por cuánto tiempo. También distribuyen el tiempo del CPU para una tarea concreta, e interrumpir al CPU en cualquier momento para sustituirla por una tarea de mayor prioridad.

8 4.2. Funciones básicas: Servicio de soporte Los servicios de soporte de cada SO dependen de la implementación particular de éste. Entre las más conocidas destacamos las implementaciones de Unix, diseñadas por distintas empresas, los SO de Apple (Mac OS X), los de Microsoft (Windows), y las implementaciones de software libre (Linux) producidas por empresas, universidades, administraciones públicas, organizaciones sin ánimo de lucro y comunidades de desarrollo.

9 4.2. Funciones básicas: Servicio de soporte Estos servicios suelen ser: - Actualización de versiones - Mejoras de seguridad - Inclusión de nuevas utilidades - Controladores para manejar nuevos periféricos - Corrección de errores software - Etc.

10 4.3. Perspectiva histórica Los primeros sistemas (1945-1950) no tenían un sistema operativo, estas grandes máquinas eran operadas directamente desde la consola maestra por los programadores (mediante tarjetas perforadas). Durante la década siguiente (1950-1960) hubo avances en el hardware: lectoras de tarjetas, impresoras, cintas magnéticas, etc. Esto provocó un avance en el software: compiladores, ensambladores, cargadores, manejadores de dispositivos, etc.

11 4.3. Perspectiva histórica: Problemas y soluciones iniciales El principal problema de los primeros sistemas era la baja utilización de los mismos, (estaban mucho tiempo esperando recibir trabajos) la primera solución fue poner un operador profesional que manejaba el sistema, con lo que eliminaron las hojas de reserva, se ahorró tiempo y se aumentó la velocidad. Para ello los trabajos se agrupaban de forma manual en lotes mediante lo que se conoce como procesamiento por lotes (batch) sin automatizar.

12 4.3. Perspectiva histórica: Monitores residentes Según avanzaba la complejidad de los programas, fue necesario implementar soluciones para automatizar la organización de tareas sin necesidad de un operador. Así se crearon los monitores residentes: esto es un programa que gestiona la ejecución de una cola de trabajos.

13 4.3. Perspectiva histórica: Sist. con almacenamiento temporal de E/S Según avanzaba la complejidad de los programas, fue necesario implementar soluciones para automatizar la organización de tareas sin necesidad de un operador. Así se crearon los monitores residentes: esto es un programa que gestiona la ejecución de una cola de trabajos.

14 4.3. Perspectiva histórica: Sist. con almacenamiento temporal de E/S Se avanza en el hardware, creando el soporte de interrupciones. Después se solapa la E/S de un trabajo con sus propios cálculos. Para ello se crea un sistema de buffers que funciona de la siguiente manera:

15 4.3. Perspectiva histórica: Sist. con almacenamiento temporal de E/S - Un programa escribe su salida en un área de memoria (buffer 1). - El monitor residente inicia la salida desde el buffer y el programa de aplicación calcula depositando la salida en el buffer 2. - La salida desde el buffer 1 termina y el nuevo cálculo también. - El proceso se puede repetir también. Pero aquí surgen problemas si hay muchas operaciones de cálculo que de E/S (limitado por la CPU) o por el contrario hay muchas operaciones de E/S que de cálculo (limitado por E/S).

16 4.3. Perspectiva histórica: Spoolers y SO multiprogramados Con la aparición del disco magnético surgen nuevas soluciones a los problemas de rendimiento. Se eliminan las cintas magnéticas para el volcado previo de los datos de dispositivos lentos y se sustituyen por discos. Debido al solapamiento del cálculo de un trabajo con la E/S de otro trabajo se crean tablas en el disco para diferentes tareas, lo que se conoce pomo Spool (Simultaneuos Peripherial Operation On-Line, operación simultanea de periféricos).

17 4.3. Perspectiva histórica: Spoolers y SO multiprogramados Avanzando un pasito más, en vez de coger por orden los programas enteros se empezaron a coger un poco de cada programa. Esto supuso un SO mucho más complicado:

18 4.3. Perspectiva histórica: Spoolers y SO multiprogramados Ahora el monitor residente tiene que: - Administrar la memoria - Gestionar el uso de la CPU (planificación) - Administrar el uso de los dispositivos de E/S. El monitor residente ha pasado a ser un sistema operativo multiprogramado.

19 4.3. Perspectiva histórica: Spoolers y SO multiprogramados Ahora contamos también con otros sistemas operativos: - SO distribuidos (con varios procesadores): se pueden ejecutar en paralelo. - SO en red: varias máquinas comunicadas en red, si a una máquina le llegan 10 trabajos los distribuye entre las demás máquinas.

20 4.4. Llamadas al SO Son las llamadas que ejecutan los programas de aplicación para pedir algún servicio al sistema operativo. Modos de ejecución de un CPU Las aplicaciones no deben poder usar todas las instrucciones de la CPU. Aún así el SO, tiene que poder utilizar todo el juego de instrucciones del CPU.

21 4.4. Llamadas al SO Por ello, una CPU debe tener, como mínimo, dos modos de operación diferentes: - Modo usuario: el CPU podrá ejecutar sólo las instrucciones del juego restringido de las aplicaciones. - Modo supervisor: la CPU debe poder ejecutar el juego completo de instrucciones.

22 4.5. Interrupciones y excepciones El SO ocupa una posición intermedia entre los programas de aplicación y el hardware. No se limita a utilizar el hardware a petición de las aplicaciones ya que hay situaciones en las que es el hardware el que necesita que se ejecute el código del SO. En ese caso el hardware debe poder llamar al sistema, debiéndose estas llamadas a dos condiciones: - Algún dispositivo de E/S necesita atención. - Se ha producido una situación de error al intentar ejecutar una instrucción del programa. En ambos casos, la acción no la ordena el programa de la aplicación, no forma parte del programa.

23 4.5. Interrupciones y excepciones Según los dos casos anteriores tenemos: Interrupción: señal que envía un dispositivo de E/S a la CPU para indicar que la operación de la que se estaba ocupando ya ha terminado. Excepción: una situación de error detectada por la CPU mientras ejecutaba una instrucción, que requiere tratamiento por parte del SO.

24 4.5. Interrupciones y excepciones Excepciones Cuando la CPU intenta ejecutar una instrucción incorrectamente construida, la unidad de control lanza una excepción para permitir al SO ejecutar el tratamiento adecuado. Al contrario que en una interrupción la instrucción en curso es abordada. Las excepciones y las interrupciones deben estar identificadas.

25 4.5. Interrupciones y excepciones Interrupciones Una interrupción se trata en todo caso, después de terminar la ejecución de la instrucción en curso. El tratamiento depende de cuál sea el dispositivo de E/S que ha causado la interrupción, ante la cual debe poder identificar el dispositivo que la ha causado.

26 4.5. Interrupciones y excepciones Interrupciones (II) El mecanismo de tratamiento de las interrupciones permite al SO utilizar la CPU en servicio de una aplicación, mientras otra permanece a la espera de que concluya una operación en un dispositivo de E/S. El hardware se encarga de avisar al SO cuando el dispositivo de E/S ha terminado y el SO puede intervenir entonces, si es conveniente, para hacer que el programa que estaba esperando por el dispositivo, se continúe ejecutando.

27 4.5. Interrupciones y excepciones Interrupciones (y III) En ciertos intervalos de tiempo puede convenir no aceptar señales de interrupción. Por ello las interrupciones pueden inhibirse por programa (aunque esto no deben poder hacerlo las mismas).

28 4.5. Interrupciones y excepciones Una interrupción de E/S es como las excepciones vistas antes. Ambas son sucesos inesperados que afectan al procesador, pero las excepciones son sucesos internos y las interrupciones se producen externamente al procesador. Además, una interrupción de E/S es asíncrona con respecto a la ejecución de las instrucciones, es decir, se pueden producir en cualquier momento, cosa que no ocurre con las excepciones.

29 4.6. Componentes de SO - Gestión de procesos - Gestión de la memoria principal - Gestión de almacenamiento secundario - El sistema de E/S - Sistema de archivos - Sistema de protección - Sistema de comunicaciones - Intérprete de órdenes - Programas de sistema

30 4.6. Componentes de SO: Gestión de procesos Un proceso es un programa en ejecución que necesita recursos para realizar su tarea: tiempo de CPU, memoria, archivos y dispositivos de E/S. El SO es el responsable de: - Crear y destruir los procesos. - Parar y reanudar los procesos. - Ofrecer mecanismos para que se comuniquen y sincronicen.

31 4.6. Componentes de SO: Gestión memoria principal La memoria es una gran tabla de palabras que se referencian cada una mediante una dirección única. Este almacén de datos de rápido acceso es compartido por la CPU y los dispositivos de E/S, es volátil y pierde su contenido en los fallos del sistema.

32 4.6. Componentes de SO: Gestión memoria principal El SO es el responsable de: - Conocer qué partes de la memoria están utilizadas y por quién. - Decidir qué procesos se cargarán en memoria cuando haya espacio disponible. - Asignar y reclamar espacio de memoria cuando sea necesario.

33 4.6. Componentes de SO: Gestión almacenamiento secundario Un sistema de almacenamiento secundario es necesario, ya que la memoria principal (almacenamiento primario) es volátil y además muy pequeña para almacenar todos los programas y datos. También es necesario mantener los datos que no convenga mantener en la memoria principal

34 4.6. Componentes de SO: Gestión almacenamiento secundario El SO se encarga de: - Planificar los discos. - Gestionar el espacio libre. - Asignar el almacenamiento.

35 4.6. Componentes de SO: El sistema de E/S Consiste en un sistema de almacenamiento temporal (caché), una interfaz de manejadores de dispositivos y otra para dispositivos concretos. El sistema operativo debe gestionar el almacenamiento temporal de E/S y servir las interrupciones de los dispositivos de E/S.

36 4.6. Componentes de SO: El sistema de archivos Los archivos son colecciones de información relacionada, definidas por sus creadores. Éstos almacenan programas (en código fuente y objeto) y datos tales como imágenes, textos, información de bases de datos, etc.

37 4.6. Componentes de SO: El sistema de archivos El SO es responsable de: - Construir y eliminar archivos y directorios. - Ofrecer funciones para manipular archivos y directorios. - Establecer la correspondencia entre archivos y unidades de almacenamiento. - Realizar copias de seguridad de archivos.

38 4.6. Componentes de SO: El sistema de archivos Existen diferentes Sistemas de Archivos, es decir, existen diferentes formas de organizar la información que se almacena en las memorias (normalmente discos) de los ordenadores. Por ejemplo, existen los sistemas de archivos FAT, FAT32, EXT2, NTFS...

39 4.6. Componentes de SO: Sistemas de protección Mecanismo que controla el acceso de los programas o los usuarios a los recursos del sistema. El SO se encarga de: - Distinguir entre uso autorizado y no autorizado. - Especificar los controles de seguridad a realizar. - Forzar el uso de estos mecanismos de protección.

40 4.6. Componentes de SO: Sist. de comunicaciones Para mantener las comunicaciones con otros sistemas es necesario poder controlar el envío y recepción de información a través de las interfaces de red. También hay que crear y mantener puntos de comunicación que sirvan a las aplicaciones para enviar y recibir información, y crear y mantener conexiones virtuales entre aplicaciones que están ejecutándose localmente y otras que lo hacen remotamente.

41 4.6. Componentes de SO: Intérprete de órdenes El shell del sistema es el principal componente del SO que utiliza el usuario. Este uso se realiza siempre directa o indirectamente a través del intérprete. Generalmente incorpora un lenguaje de programación para automatizar las tareas.

42 4.6. Componentes de SO: Programas de sistema Son aplicaciones de utilidad que se suministran con el SO pero no forman parte de él. Ofrecen un entorno útil para el desarrollo y ejecución de programas, siendo algunas de las tareas que realizan: - Manipulación y modificación de archivos. - Información del estado del sistema. - Soporte a lenguajes de programación. - Comunicaciones.

43 4.7. Gestor de recursos Como gestor de recursos, el Sistema Operativo administra: - La CPU (Unidad Central de Proceso, donde está alojado el microprocesador). - Los dispositivos de E/S (entrada y salida) - La memoria principal (o de acceso directo). - Los discos (o memoria secundaria). - Los procesos (o programas en ejecución). -... - y en general todos los recursos del sistema.

44 4.8. Características: Administración de tareas Monotarea: Solamente puede ejecutar un proceso (aparte de los procesos del propio S.O.) en un momento dado. Una vez que empieza a ejecutar un proceso, continuará haciéndolo hasta su finalización y/o interrupción. Multitarea: Es capaz de ejecutar varios procesos al mismo tiempo. Este tipo de S.O. normalmente asigna los recursos disponibles (CPU, memoria, periféricos) de forma alternada a los procesos que los solicitan, de manera que el usuario percibe que todos funcionan a la vez, de forma concurrente.

45 4.8. Características: Administración de usuarios Monousuario: Si sólo permite ejecutar los programas de un usuario al mismo tiempo. Multiusuario: Si permite que varios usuarios ejecuten simultáneamente sus programas, accediendo a la vez a los recursos de la computadora. Normalmente estos sistemas operativos utilizan métodos de protección de datos, de manera que un programa no pueda usar o cambiar los datos de otro usuario.

46 4.8. Características: Manejo de recursos Centralizado: Si permite utilizar los recursos de una sola computadora. Distribuido: Si permite utilizar los recursos (memoria, CPU, disco, periféricos...) de más de una computadora al mismo tiempo.

47 4.9. Principales tipos de SO En la actualidad podemos destacar tres tipos de sistemas operativos: Windows (Microsoft), Mac OS (Apple) y la familia GNU/Linux. Una de las diferencias entre estas tres familias es el concepto del que parten. Tanto Windows como Mac OS son dos empresas que comercializan su producto, mientras que GNU/Linux no hay una única empresa desarrolladora.

48 4.9. Principales tipos de SO Mac OS y Windows - No hay acceso público al código. - sistema propietario, esto es un software en el que su uso, redistribución o modificación está prohibida, o porque requiere permiso expreso del titular del software. - de pago. Para poder disfrutar del programa legalmente hay que pagar una licencia.

49 4.9. Principales tipos de SO GNU/Linux - software libre. Hay libertad para copiarlo, distribuirlo y usarlo sin permiso expreso. - código abierto. Su código es accesible a cualquier persona con la finalidad de poderlo modificar y mejorar con el fin de compartirlo con otras personas para que se puedan beneficiar de tu aportación. - gratuito. No hay que pagar por su instalación y uso.

50 4.10. SO UNIX El término UNIX es un término vago que utilizamos para referimos en general a los sistemas operativos con una estructura, llamadas al sistema, orígenes e incluso a veces a su apariencia, que no es una marca comercial... Bueno, en realidad si lo es, por lo que sólo algunos de los sistemas Unix se pueden calificar unix. Las definiciones imponen una serie de normas que describen la estructura, funcionalidad, interfaz....

51 4.10. SO UNIX Hay tres implementaciones importantes en el mundo unix: System V, BSD, POSIX. El sistema operativo más relevante de System V en estos días es Solaris de Oracle.

52 4.10. SO UNIX BSD (Berkeley Software Distrubution). Los sistemas actuales son sistemas libres con una licencia BSD. Los más relevantes son FreeBSD (la más extendida, con más utilidades), NetBSD (con énfasis en la portabilidad) y OpenBSD (con énfasis en la seguridad).

53 4.10. SO UNIX Los sistemas operativos más relevantes de POSIX (Portable Open System Interface for uniX) son las distribuciones de Linux. Linux es un sistema operativo libre con licencia GNU, cualquiera puede hacer su propio sistema Linux con un conjunto de utilidades: es lo que llamamos una distribución linux (Debian, Fedora, Ubuntu,...)

54 4.11. Intro gestión Ubuntu La distribución Linux que vamos a tratar es Ubuntu, ya que es la que tenemos instalada y en la actualidad goza de gran popularidad. Es un sistema con una interface gráfica basada en ventanas. En el cual para poder instalar cualquier programa o aplicación utiliza un sistema parecido a el Play Store de Android o el App Store de Mac, siendo todos ellos gratuitos.